一款智能參數(shù)測(cè)試儀的設(shè)計(jì)

　　0 引言

　　產(chǎn)品檢測(cè)是生產(chǎn)廠家和用戶都關(guān)心的問(wèn)題。在產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程中，檢測(cè)是必不可少的一部分，有的還是工藝過(guò)程的一道工序。電磁繼電器是電力系統(tǒng)以及其他電氣控制系統(tǒng)中常用的開關(guān)元件，它們的可靠性是電力系統(tǒng)和其他電氣控制系統(tǒng)可靠運(yùn)行的重要保證，因此，必須對(duì)繼電器的特性參數(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確的測(cè)試。電磁繼電器的電氣參數(shù)主要有線圈電阻、觸點(diǎn)接觸電阻、吸合電壓、釋放電壓、吸合時(shí)間、釋放時(shí)間等。這些參數(shù)對(duì)研究繼電器可靠性、動(dòng)態(tài)性能具有重要意義，是保證其質(zhì)量特性的重要參數(shù)。

　　1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

　　1.1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

　　系統(tǒng)硬件主要包括UART 串口通信模塊、JTAG 接口模塊、測(cè)試結(jié)果顯示模塊、檢測(cè)程序存儲(chǔ)模塊FLASH、檢測(cè)電路模塊以及SRAM 模塊。系統(tǒng)總體硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示。

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　　1.2 系統(tǒng)微處理器

　　本系統(tǒng)主要由檢測(cè)部分和顯示控制部分組成。在本設(shè)計(jì)中，采用了高性能的ARM Cortex 芯片STM32F103ZET6.

　　該芯片內(nèi)部采用哈佛結(jié)構(gòu)，其中集成有64 KB 的RAM 和512 KB FLASH,并且具有運(yùn)算速度快、體積小和低功耗的特點(diǎn)，完全能滿足本設(shè)計(jì)的要求。Cortex-M3 是一個(gè)32 位的核，它采用的是Tail-Chaining 中斷技術(shù)，最多可減少12 個(gè)時(shí)鐘周期數(shù)，基于硬件進(jìn)行中斷處理，通常可減少70% 的中斷。Cortex-M3 還采用了新型的單線調(diào)試(Single Wire) 技術(shù)，可對(duì)獨(dú)立的引腳進(jìn)行調(diào)試。

　　1.3 系統(tǒng)工作流程

　　系統(tǒng)上電后，首先完成對(duì)各個(gè)寄存器的初始化工作，然后等待開始檢測(cè)命令;單擊上位機(jī)界面上的START 命令，然后上位機(jī)給單片機(jī)發(fā)送開始檢測(cè)命令;單片機(jī)接到開始命令后開始向檢測(cè)電路發(fā)送檢測(cè)命令，然后單片機(jī)處理檢測(cè)電路發(fā)回的數(shù)據(jù)，得出繼電器的各個(gè)參數(shù)，通過(guò)串口把這些參數(shù)顯示在上位機(jī)的界面上。

　　2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　2.1 驅(qū)動(dòng)電壓的設(shè)計(jì)

　　為了準(zhǔn)確測(cè)出繼電器的吸合電壓，必須得到一個(gè)從0 開始按照一定量增大的電壓源，每次增大的電壓量越小，測(cè)試的結(jié)果越準(zhǔn)確，但是所要求的電路也越復(fù)雜，所以我們必須根據(jù)實(shí)際的要求在這中間找到一個(gè)平衡點(diǎn)。圖2 所示為系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)電壓電路。

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　　圖2 中，TL431用于給TLC5615 提供2.5 V 的基準(zhǔn)電壓源，DA_DIN 是串行數(shù)據(jù)輸入端，DA_CS 是低電平有效的片選信號(hào)輸入端，DA_SCK 是串行時(shí)鐘輸入端，DOUT 是用于級(jí)聯(lián)的串行數(shù)據(jù)輸出端，OUT 是DAC 模擬電壓輸出端，輸出模擬信號(hào)。由于從TLC5615 輸出的模擬信號(hào)很小，不能驅(qū)動(dòng)繼電器，所以，本設(shè)計(jì)在后面又加上了放大電壓電路和放大電流電路。

　　2.2 集成切換網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)

　　本系統(tǒng)的集成切換網(wǎng)絡(luò)是利用繼電器的開關(guān)工作原理完成的，利用單片機(jī)發(fā)出的不同指令控制繼電器的閉合，從而切換到不同的測(cè)試電路模塊。在測(cè)試吸合/ 釋放電壓時(shí)，首先ARM Cortex 發(fā)出測(cè)試參數(shù)為吸合/ 釋放電壓的指令。集成切換網(wǎng)絡(luò)根據(jù)指令，切換到Prog_v 一側(cè)，XQ1I 連接所測(cè)繼電器觸點(diǎn)一端，具體電路如圖3 所示。

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　　為了解決單片機(jī)的I/O 驅(qū)動(dòng)能力不足的問(wèn)題， 選用ULN2003 作為繼電器的驅(qū)動(dòng)芯片。ULN2003 是高壓大電流達(dá)林頓晶體管陣列電路，它具有工作地電壓高，工作電流大，灌電流可達(dá)500 mA,并且能夠在關(guān)態(tài)時(shí)承受50 V 的電壓，輸出還可以在高負(fù)載電流并行運(yùn)行。它采用集電極開路輸出，輸出電流大，故可直接驅(qū)動(dòng)繼電器。ULN2003 的每一對(duì)達(dá)林頓管都串聯(lián)一個(gè)2.7 kΩ 的基極電阻，在5 V 的工作電壓下它能與TTL 和CMOS 電路直接相連，可以直接處理原先需要標(biāo)準(zhǔn)邏輯緩沖器來(lái)處理的數(shù)據(jù)。通常單片機(jī)驅(qū)動(dòng)ULN2003 時(shí)，上拉2 kΩ 的電阻，同時(shí)，COM 引腳應(yīng)該懸空或接電源。

　　2.3 數(shù)據(jù)處理及與上位機(jī)的通信

　　接收到的數(shù)據(jù)通過(guò)異步串口管腳與3.3 V 轉(zhuǎn)換芯片MAX232 相連，外接串口線同PC 機(jī)進(jìn)行通信，接收和發(fā)送數(shù)據(jù)，STM32 作為下位機(jī)負(fù)責(zé)接收上位機(jī)的指令以及控制各部分電路并處理數(shù)據(jù)，然后向上位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)，PC 機(jī)接收數(shù)據(jù)，并通過(guò)VC 編程把接收的數(shù)據(jù)通過(guò)界面顯示出來(lái)。這里PC 機(jī)的VC 通過(guò)串口發(fā)送命令給STM32,主控芯片接收命令并判斷有效，即可開始控制電路進(jìn)行工作[6].由于篇幅所限，本文未對(duì)STM32 的最小系統(tǒng)硬件部分作詳細(xì)說(shuō)明。

　　3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)軟件部分主要包括STM32 微處理器控制程序和上位機(jī)程序兩部分。由于下位機(jī)軟件使用C 語(yǔ)言來(lái)開發(fā)，所以選擇了一款支持C語(yǔ)言編程的開發(fā)環(huán)境。由于使用的是J-LINK接口調(diào)試方式[7],選擇用IAR SYSTEM 作為下位機(jī)的控制平臺(tái)開發(fā)工具。